地下水体的电磁法探测

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1、地 下 水 体 的电 磁 法 探 测 尸 一目 一一 一一- 一一 一 一 沪 一 一 一 ， 一 户 一 陈明生( 煤炭科学研究总院西安分院7 1 0 0 5 4 ) 摘 要 介 绍 了 电 磁 法 探 .M 1 地 下 水 沐 的 基 本 原 理 ， 9 了 几 种 电 磁 法 探 %k 1 a 上s f 31 构 迷 的 例 子， 显示其在找水和防治水害方面的意义 厂 关 又 中 作 键词探浏地下水万法 国图 书资料分 类法分类号 P 6 3 1 老简介陈明生男5 9岁研究 员 、 2 r - 硕士应 用地球物理 I 引言 电磁法可分直流电法和交流电法， 它们都是根 据岩石在导电率( 或

2、电阻率) 、 导磁率、 激发极化特性 及介电常数方面的差异探测地下岩层结构。地下水 也可看成一种地质体， 现在已成为我们探测的主要 目标。解决水源提供工业与民用; 查清水的赋存， 以 便防止地下水灾害， 这些都需要找水与探水。 采用的 手段应首推物探。 由于含水地质体的电阻率较低 激 发极化特性也明显， 所以电磁法成为找水的必不可 少的方法。现就我们拿握的几种找水电磁法咋分 析， 供参考选用。 / 1二 乡一 E l , 二次时差法 二次时差法是直流激发极化法的变种 早在 7 0 年代初陕西第一物探队就提出寻找地下水的“ 激电 衰减时法” 川. 并得到推广， 取得明显 地质效果。 衰减 时指激

3、发 几 次电位衰减到 一 半所需要时间S铁道 部第一勘测设计院在此基础上提出了用二次时差法 探测 地下水川。 通过室内 模拟试验和 野外孔隙水及 裂隙水试验表明， 衰减时与 激发电流I 存在线性函 数关系， 如图 1所示。对含水层来说， 衰减时随电流 增大而增长( 图 1 中实线 a , b所尔) ; 而且含水层孔 隙大， 透水性好， 曲线上升斜率也大对透水性不好 的黄十、 粘土、 亚粘土或基岩， 其衰减时随激发电流 增大基本不变或反而减小， 如图1中虚线: , d 所示。 这样就可利用大小不同的两次供电电流所产生的衰 减时差判断含水层或非含水层， 即大供电电流产生 的衰减时S d 减去小供电

4、电流产生的衰减时S 所得 二次时差S , ( S , =S d -S) 为正时对应含水层， 二次 图 1 S , -I关系曲线 时差为零或负时对应非含水层 利用二次时差法， 我们分院也获得了找水的明 显效果C 3 1 。 图2 为某地二次时差曲 线和钻孔柱 状对 比图。 二次时差曲线横坐标为d B/ 2 值。 相当探测深 度; 纵坐标为二次时差S 值。 按照S 。 的正负解释含 水与非含水层。由此所预测的第一含水段位于 1 1 2 一1 2 9 m, 1 4 2 -1 4 6 m及 1 5 8 1 6 4 m; 第三含水段 位于 1 7 4 1 8 7 m; 第三含水段位于 1 9 4 2 0

5、 2 m。 而 钻孔测井认为有二段含水层: 1 1 4 - 1 7 0 m, 1 7 9 - - 1 8 4 m, 1 9 3 -2 0 5 m。 这个结果与二次时差预报结果 大体符合。 特别是在 1 6 8 m及1 9 2 m附近夹两层亚 粘土的预报恰好是钻探揭示的第二含水段顶部和第 二含水段顶部的弱隔水层。 关于第一含水段， 预报分 二层. 而测井认为这二层是联在一起的。 经抽水试验 这日井的涌水量为3 2 m / h ， 水质经化验符合饮用 水标准 。 充电法 当理想导体位于一般导电介质中， 向其上任意 70 6 . - ,: 尸 A 9 / 2 s , 推断柱状 图 钻 子 L 测 井

6、 柱 状 图 日食盔夕目 .叼 图2 某市K , 1 0号卢 点洪电 或称 充电” ) 后， 电流便遍及整个理想导体， 然后垂直于导 体表面流向周围介质对于电阻率低 的地质体， 也可向其天然或人工露头充电， 并观测其 充电电场的分布 解释推断低阻体和围岩的电性分 布情况， 解决特定地质问题。地下含水体也是低阻 体 尤其加盐后电阻率更低， 也适用充电法探测其存 在状态 图 3 是对某立井检查钻孔采用充电法所得电位 等值线图。 虚线是对检3 孔充电所得电位等值线。 充 电点在孔深 1 0 0 m处， 层位是侏罗系， 等位线荃木 为fu . 心圆 状， 说明电 位以 钻孔为中心向 四周均匀降 低，

7、元含水裂隙发育 实线是对检2 孔充电所得电位 等值线 充电 层位在 孔深3 5 0 n 、 处长兴灰岩中， 等 位线为纺锤形， 长轴沿钻孔连线基木顺地层走向 这 个方同的电位梯度小， 正是含水岩溶裂隙发育带的 指向 垂直钻孔连线( 地层倾向) ， 裂隙不发育 实际 证明岩溶裂隙发育方向N2 3 0 W， 与充电法探测结果 基本一 致 图3 某立井万电法等电位曲线平面图 4 磁偶源频率测深 磁偶源频率测深川 是在地面铺设 一 定大小的不 接地线圈( 磁偶极) . 通以不同频率的电流在离开发 射线图中心一定距离( r ) 处用磁偶极子观测相应频 率电流激发的磁场的径向分量 H,与垂U . 分景I

8、f z 井 按 照 一 定 的 汁 算 程 、 将 . H ,H r 转 换 为 视 电 阻 率 。 ( H) 和视深度H a , 图1 表示视电阻率P u 与视深度 i f ,关系曲线可以 6出. 随着深度的加大 视电阻 率随电性层不断变化， I l 示为锯断状 曲线的右斜段 表示相对高阻层、 曲线的左斜段表示相对低阻层， 曲 线突变汽对应着岩层的分界面 这种 方法 对地层的分辨 率较高 视电 阻率曲线 与侧井曲线类似， 非常 、 Q e 图5 是两条实i 0 i 视巾R fi . 5 07 . 111|1111.|1111|1|11.队 ，2 . 5 3 . 5 4 . 5 5 56 污7

9、 . 5 m叭竹FI 、 一 冬 图4 转换视电阻率P a 视深度刀“图 图 6 磁偶源频率测深转换视 电阻率曲线判定断层剖面 H 二 分量， 按照相应的公式计算视电 阻率。 根据所观 测的场分量， 既可按单分量计算视电阻率， p a =K 也可按比值计算视电阻率， P a 二K ( 1 ) 少 图5 磁偶源频率测深探测含水砂砾层 ( 视电阻率一视深度曲线) 率曲线， 它们与钻孔柱状对应关系明显。 在图中3层 含水砂砾层相对于上下泥质隔水层呈高值， 在视电 阻率曲线 L 为清晰的右倾段。 如上所述， 具有较高分辨率的磁偶源频率测深 可用来确定层位及相应含水层， 而且这种方法对查 找导水通道，

10、象断层、 裂隙发育带也很有效。图6 就 是根据磁偶源频率测深转换视电阻率曲线确定断层 的位 置和断距的一 个例子。 从图6 可以看出， 在4 . 5 与5 . 5 号点间有一断距 1 5 m的正断层。 根据曲线连 续对比、 界面追踪， 显示这个间断是十分明显的， 所 推断层可靠， 这种解释精度是其他电法难以比拟的。 ( 2 ) E一IE一H 5 电偶源频率测深 电偶源频率测深曰是在地面铺设一定长度的接 地线A B ( 称为电偶极) ， 向地下供一定频率的电流， 在离A B 一定距离r 且平行于A B的测线上布设电 偶极或 磁偶 极， 观测电 场E x , E y 或磁场H z , H y ,

11、5 0 8 . 图7 是采用电偶极源频率测深所得的地质断 面。 这是在山酉某地探测水文地质构造的实际资料， 图的上面为纵向电导等值线， 图的下面是定量解释 的地 质断面。 可以看出， 纵向电导 等值线特征和断面 的 地质结构符合非常好， 和已 掌握的地质资料一致。 经和钻孔揭露的地层对比， 定量解释误差5 %o 图8是V: 仪器观测的C S A MT视电阻率等值 线断 面图 图 上等 值线先变得逐 渐密 集而后又变得 稀 疏的 部位 是奥灰 顶界， 其上是石炭二迭系( 煤系) 。 等值线的起伏反映奥灰顶面不平， 在等值线扭曲部 位为断层的显示， 所标的3 个断层， 其中有 2 个断层 已被揭露

12、， 断距小于 2 0 m,图左边的断层之上为陷 落柱， 是造成煤矿出水的通道， 现已封堵口 6 瞬变电磁测深 瞬变电磁( T E M) 测深为感应测深的一种， 和颇 率测深不同的是， 频率测深属频率域， 观测的是激发 源的一次场和大地感应的二次场的和 总 场; 瞬 、 Fi ;t6 . . 一9 2 。 等视 纵 向电 异断 面 图 推断地 质断曲 图 图7 电偶源颇牛测深推断地质断面图 图8 电偶源频率测深探测奥灰顶界等视电阻率断面图 变测深属时间域， 观测的是 几 次场， 即由地面通过接r 地或不接地电偶极或磁偶极供脉冲电流， 在地面一 定位置接收感应的二次电场或磁场 借以解释地 卜 电性

13、结构。 这种方法适于探测和水有关的地质体， 因 为_ 1 次场对低阻体特别敏感。 目前， 瞬变场得到广泛 均应用， 在探测含水岩层和构造方面有明显效果， 这 里略加分析。 现设一H吧三层地电断面， 其电性和厚度参数 为 P“1 0 0几mh=3 Om 夕=O2 5n mh 。 =I Om P 3 =1 0 0 Oflm 听用装置为 1 0 omx10Om的重迭回线， 其响应曲 线示于图 9 。再进一步地将图 9 的瞬态响应曲线以 均匀半空间瞬态响应进行归一化， 然后作联合时一 频分析川( 见图 1 0)。 图10 主图下面是归 一 化时变曲线， 主图右面是 相应的频谱， 主图是联合时一频分布。

14、 从主图的灰度 图看出， 由左至右， 相当于断面由浅到深， 其灰度影 像为楔形， 表示二次场低频成分一直保持， 高频成分 逐渐消失， 频率愈高消失愈快， 这正好反映高频穿透 一 一一一一 一曰J-盛 -叫 叮 m s 图g H型地电断面瞬态响应曲线 深度小， 低 频穿透深度大的“ 集肤 效应” 。 中间灰 度级 高， 说明中间层电阻率低， 形成的二次涡流强、 能量 大。 联合时 一频分析全面、 清晰地 解释了瞬变 场信号 与地电断面的因果关系， 并显示 了 瞬变场有探测低 阻体的特殊效果 图 11是对某煤矿含水断层和出水点进行瞬变 场探测的实际多测道断面图。从图上看出 在 10号 测点晚时间道

15、的么 V /I 值偏高， 意味着深部有低阻 孤立体存在， 应对友充水巷道位置。在 4 一6 号测点 出现双峰值， 两高丸一 低， 应对应低阻板状体， 这里 50 9 . 乡 hu r r e n c d a t a : B 3 3 . t x td ata le ng th (s ec ) C 三 60 互 互 i 歇 三亘 巫 5 . 0 E 2 4 . 0 E - 2 3 . U E - 2 2 0 E - 2 0 E 中 2 0. O E o 0 之 f - o . 0 0 - 1 0肠E + 0 2 . 楠 E . 2. 2 (s ec )。一 c a a l a K 图 1 0 归一

16、化瞬变曲线的联合时一频分析图 道 号 二 : 二女二 之二 二 扛二 几二 : 二二二 二 二 二 二 二三 4 一于碑 卜 一 J 一一 习 广- - - - 一 - - - - 一 - 一 - - 卜 - - 一 平价仍粉灯 - - - r 一 一入 - - ， - 一入 、 /厂一声 - - 一- - 一 卜 一， 6 一 冬 、 _ ， 一 翻 一 _ 。_ _ _ 7 的地质体方面具有良好效果的五种电磁方法。 当然， 还有别的方法可供应用。但是， 不管那种方法， 都要 结合实际间题选用。就是说在主要考虑探测对象的 同时， 还要看地面施工条件， 注意探测深度和地质复 杂程度， 由此综合起来优化一、 二种方法进行施工， 这样才可能达到水文地质的要求。 参考 文献 1234567891 0 1 11 21 31 41 5 点 号 图 1 1 某矿 11测线T E M 多测道剖面图 应解释为含水断层。 经打钻揭露， 所预测的含水层深